CN100447992C - 散热模块及其热管 - Google Patents
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Abstract
一种散热模块，包括热管以及至少一散热鳍片。散热鳍片设置于热管外并与热管相连接，热管包括一热管本体、一底座、一第一毛细结构、一第二毛细结构以及一充填于热管内的工作流体。热管本体具有一顶部以及一环设于顶部的侧壁部，而底座系与热管本体结合后形成一封闭空间，且底座系与顶部相对设置。底座具有一非平坦的底座内表面，且底座内表面系朝向顶部。第一毛细结构设置于热管本体的侧壁部内表面与顶部内表面上，而第二毛细结构则设置于底座内表面上，且第二毛细结构与第一毛细结构相连。
Description
【技术领域】
本发明系关于一种散热模块，尤其指具有高效能热管的散热模块。
【背景技术】
随着技术的进步，电子元件单位面积上的晶体管数量越来越多，造成其工作时发热量的增加。另一方面，电子元件的工作频率也越来越高，晶体管工作时开/关(on/off)转换所造成的热量(switch loss)，亦是电子元件发热量增加的原因。若未能适当的处理这些热量，将会造成晶片运算速度的降低，严重者甚至影响到晶片的寿命。为加强电子元件的散热效果，现行的做法大多为在热源处以散热器将热导出，经由散热器的鳍片(fin)以自然或强制对流方式将热散逸至环境中。
由于热管(heat pipe)可在很小的截面积与温度差之下，将大量的热传送一段可观的距离，且不需外加电源供应即可运作，在无须动力提供和空间利用经济性的考量之下，各式热管已是电子散热产品中广为应用的传热元件之一。请参考图1，其为习知的柱状型热管的剖面示意图。习知的柱状型的热管10系由其一端封闭且其另一端开放的热管本体12与一上盖14结合后所形成之一密闭中空腔体。
热管本体12系一体成型的罐体，且由侧壁部122以及底部124所组成。在热管本体12的内壁上(亦即是侧壁部122的内表面以及底部124的内表面上)分别设置有毛细结构16a、16b，且热管10内部充填有工作流体W。当柱状型的热管10实际在使用时，系以底部124直接与位于热管10下方的热源(未绘示)接触，用以将热源所产生的热直接导离热源。柱状型热管10的底部124为蒸发端，而侧壁部122与上盖14则为冷凝端。在蒸发端的工作流体因吸热而蒸发成气态，并在压差的影响下自然流向冷凝端，然后于冷凝端处释出潜热(latent heat)后转变为液态的工作流体。冷凝后的工作流体再通过毛细结构16a、16b的毛细力流回蒸发端。如此，一再循环达到散热的效果。
然而，对于使用粉末烧结方式制作毛细结构16a、16b的柱状型的热管10而言，受限于烧结模具及制程因素，底部124上的毛细结构16b与侧壁部122上的毛细结构16a系共同填粉烧结而成，但在上盖14的内表面处通常没有另外设置毛细结构，使得凝结于上盖14处的工作流体无法回流，造成上盖14处变成无效的冷凝端，影响热管10内工作流体质量的变动，进而影响热管10的传热效率及整体热阻。
若要使上盖14的内表面亦设置有毛细结构，则需采用于蒸发端与凝结端同时填粉、烧结的制程，会使得毛细结构的形状及粉末颗粒的控制变得困难，故无法使用此制程达成。因此，若要使上盖14的内表面设置有毛细结构，则需另外塞入铜网等物以形成网状毛细结构。然而，由于位于上盖14处的网状毛细结构与位于侧壁部122上的毛细结构16a并非同时制作，且属于不同种类的毛细结构(一为粉末烧结毛细结构，另一为网状毛细结构)，故于两毛细结构接触部分的连接性很差，使得工作流体无法靠毛细力从上盖14顺利流到侧壁部122，因此造成热管10的整体导热特性变差。
承上所述，如何制作一成本低廉、制程简单的柱状型热管，且能够解决上述的问题，实乃一重要课题。
【发明内容】
因此，为解决上述问题，本发明系提出一种散热模块及其热管，除了具有成本低廉、制程简单的优点之外，本发明不仅能够解决习知柱状型热管侧壁部与上盖处的毛细结构连结性的问题，并能有效地增加柱状型热管的热交换面积进而提升整体散热效能。
根据本发明的目的，提出一种热管，包括一热管本体、一底座、一第一毛细结构、一第二毛细结构以及一充填于热管内的工作流体。热管本体具有一顶部以及一环设于顶部的侧壁部，而底座系与热管本体结合后形成一封闭空间，且底座系与顶部相对设置。底座具有一非平坦的底座内表面，且底座内表面系朝向顶部。第一毛细结构设置于热管本体的侧壁部内表面与顶部内表面上，而第二毛细结构则设置于底座内表面上，且第二毛细结构与第一毛细结构相连。
如上述的热管，其中侧壁部与顶部系一体成型而形成热管本体，或者，侧壁部与顶部系二分离的元件，经连接后而形成热管本体。其中底座内表面系形成有至少一凸块，凸块于底座内表面上的截面形状为半球形、弧形、三角形、矩形、方形或梯形，且凸块于底座内表面上系构成一棋盘式图案、一行列图案、一对称式图案或一非对称式图案。
第二毛细结构系铺设于底座内表面，俾使第二毛细结构面向顶部系形成一平面。第二毛细结构于垂直于底座方向上具有一第一厚度与一第二厚度，且第一厚度系大于第二厚度。或者，第二毛细结构系沿着底座内表面的轮廓而设置，第二毛细结构系具有相等厚度或不等厚度。再者，热管本体的顶部的内表面为平坦状，或是有凹凸不平的形状。另外，热管本体的侧壁部内表面为平坦状，或是非平坦状，且侧壁部内表面系形成有至少一凸块，且凸块于侧壁部的截面系构成一锯齿环状图案或一连续半圆状图案。
热管本体的侧壁部系呈一空心柱状，热管本体与底座的材质系为一高热传导材料，如铜、银、铝或其合金。
第一毛细结构与第二毛细结构的材质包括选自塑胶、金属、合金、多孔性非金属材料所组成的族群其中之一，且设置的方法系选自烧结、黏着、填充、及沉积所组成的族群其中之一或其结合。工作流体系为无机化合物、纯水、醇类、酮类、液态金属、冷媒、有机化合物或其混合物之一。
根据本发明的另一目的，提出一种散热模块，包括热管以及至少一散热鳍片。热管包括一热管本体、一底座、一第一毛细结构、一第二毛细结构以及一充填于热管内的工作流体。热管本体具有一顶部以及一环设于顶部的侧壁部，而底座系与热管本体结合后形成一封闭空间，且底座系与侧壁部相对设置。底座具有一非平坦的底座内表面，且底座内表面系朝向顶部。第一毛细结构设置于热管本体的侧壁部内表面与顶部内表面上，而第二毛细结构则设置于底座内表面上，且第二毛细结构与第一毛细结构相连。
散热鳍片系以铝挤成型、冲压或其他加工方式制作，且散热鳍片系为水平间隔分布、垂直间隔分布、斜向间隔分布、放射状分布或其他分布方式。散热鳍片设置于热管外并与热管相连接，且连接方式系选自焊接、嵌合、卡固、黏着所组成的族群其中之一。例如，散热鳍片与热管系以热镶方式进行嵌合以及/或卡固。另外，散热鳍片与热管之间更具有一锡膏(soldering paste)、一导热膏(grease)，或一可充当导热介面的材料。
如上述的散热模块，热管可透过一基座或是直接与一热源接触，用以将热源发散的热直接传导至散热鳍片。基座系一实心金属块体，且热源系一发热的电子元件，如中央处理器、晶体管、伺服器、高阶绘图卡、硬碟、电源供应器、行车控制系统、多媒体电子机构、无线通信基地台或高阶游戏机等。再者，上述的散热模块系与一风扇组接，用以促进由散热模块所导出的热更加迅速逸散。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
【附图说明】
图1为习知的柱状型热管的剖面示意图。
图2为依照本发明较佳实施例之一种柱状型热管的示意图。
图3A与图3B为图2中柱状型热管的二种底座示意图。
图3C与图3D为图2中的底座及其上的毛细结构的二示意图。
图4为依照本发明较佳实施例的另一种柱状型热管的示意图。
图5A至图5C为图4的柱状型热管的组装示意图。
图6A为图4的柱状型热管的另一内壁示意图。
图6B为图6A的柱状型热管的内壁上视图。
图7A与图7B为将本发明较佳实施例的柱状型热管应用于散热模块的二示意图。
【具体实施方式】
以下将参照相关图式，说明依本发明的散热模块及其热管的实施例。
请参照图2，其为依照本发明较佳实施例之一种柱状型热管的示意图。本发明的柱状型热管20，系包括一热管本体22、一底座28、一第一毛细结构26a、一第二毛细结构26b以及一充填于热管20内部的工作流体W。热管本体22具有一顶部224以及一环设于顶部224的侧壁部222，而底座28系与热管本体22结合后形成一封闭空间，且底座28系与顶部224相对设置。
底座28具有一非平坦的底座内表面281，且底座内表面281系朝向顶部224。其中底座内表面281系形成有至少一凸块282，凸块282于底座内表面281上的截面形状为矩形或为半球形、弧形、三角形、方形或梯形等其他形状。在此，需特别注意的是，凸块282形成于底座内表面281的型态与个数并不限制，可为多个凸块(如图3A所示)，或仅由单一凸块(如图3B所示)构成，且多个凸块282于底座内表面281上系构成一棋盘式图案、一行列图案、一对称式图案或一非对称式图案。或者，非平坦的底座內表面281除可以形成凸块282的形式外，当然也可在底座內表面281形成凹形结构而形成非平坦的形式。
第一毛细结构26a设置于热管本体22的侧壁部222的内表面与顶部224的内表面上，而第二毛细结构26b则设置于底座28的内表面281上，且第二毛细结构26b与第一毛细结构26a相连。请参照图3C，其为图2中的底座及其上的毛细结构之一示意图。第二毛细结构26b系沿着底座内表面281的轮廓而设置，且第二毛细结构26b系具有相等厚度或不等厚度。需特别注意的是，图3C中系以多个凸块282形成于底座28的内表面281上为例，与图2为清楚表示，故图2仅绘示出单一凸块282的情况不同。
或者，请参照图3D，其为图2中的底座及其上的毛细结构的另一示意图。第二毛细结构26b系铺设于底座内表面281，俾使第二毛细结构26b面向顶部224系形成一平面。第二毛细结构26b于垂直于底座28方向上具有一第一厚度H1与一第二厚度H2，且第一厚度H1系大于第二厚度H2。第一厚度H1为位于底座内表面281不具有凸块282处上方的第二毛细结构26b的厚度，而第二厚度H2则为位于底座内表面281且具有凸块282处上方的第二毛细结构26b的厚度。需特别注意的是，图3D中系以多个凸块282形成于底座28的内表面281上为例，与图2为清楚表示，故图2仅绘示出单一凸块282的情况不同。
当热管20实际在使用时，系以底座28直接与位于热管20下方的热源(未绘示)接触，用以将热源所产生的热直接导离热源。或者，热管20可通过一位于热管20下方并位于热源上方之外部基座(未绘示)而与热源接触。当热管20设置于热源上时，靠近热源一端的毛细结构26b(即蒸发端)中工作流体吸收由热源所产生的热而变成气态的工作流体，并在压差的影响下自然流向冷凝端，然后于远离热源一端的毛细结构26a(即冷凝端)中释出潜热后转变为液态的工作流体，再通过毛细结构26b所提供的毛细力而流回至蒸发端，如此循环不已地将热持续带离热源，以达到散热的功效。
由于热管本体20与底座28系二独立的元件，底座285的内表面281可轻易加工成不平坦的表面，使得底座28与毛细结构26b之间的接触面积增加，有助于提升热管20的散热性能。再者，设置于底座内表面281上的毛细结构26b系与热管本体20上的毛细结构26a分开设置，因此可轻易在凹凸不平的底座28上设置单一或不同厚度的毛细结构26b，藉以增加毛细结构的表面积以提升工作流体的蒸发效率，进而提升热管10于蒸发端处的散热性能。
热管本体22与底座28的材质系为一高热传导材料，如铜、银、铝或其合金。第一毛细结构26a与第二毛细结构26b的材质包括选自塑胶、金属、合金、多孔性非金属材料所组成的族群其中之一，且设置的方法系选自烧结、黏着、填充及沉积所组成的族群其中之一或其结合。工作流体W系为无机化合物、纯水、醇类、酮类、液态金属、冷媒、有机化合物或其混合物之一。
侧壁部222与顶部224系一体成型而形成热管本体22，或者，热管本体的侧壁部系呈一空心柱状，且侧壁部与顶部为二分离的元件，经连接后而形成热管本体。请同时参照图4以及图5A至图5C，图4为依照本发明较佳实施例的另一种柱状型热管的示意图，而图5A至图5C为图4的柱状型热管的组装示意图。本发明较佳实施例的另一种柱状型热管40，系包括一热管本体42、一底座48、一第一毛细结构46a、一第二毛细结构46b以及一充填于热管40内部的工作流体W。
热管本体42具有一顶部424以及一环设于顶部424的侧壁部422，于图2的热管20所不同的是，热管本体42的侧壁部422与顶部424为二分离的元件，以紧配、焊接、黏合等方法连接后而形成热管本体42。之后，在设置第一毛细结构46a于侧壁部422与顶部424的内表面上，另一方面，底座48上亦设置有第二毛细结构46b。当毛细结构接形成之后，再将底座48与热管本体42结合，使热管40内部形成一封闭空间，且底座48系与顶部424相对设置。其他实施方法与图2具有相同的技术特征，于此不再赘述。
另外，除了底座28、48具有非平坦的底座内表面之外，亦可将热管本体的顶部内表面或是侧壁部内表面设计为非平坦的表面，藉以增加毛细结构的表面积，亦即顶部内表面或是侧壁部内表面除了是平坦状之外，亦可是具有凹凸不平的形状。请参照图6A，其为图4的柱状型热管的另一内壁示意图。图6A系以底座68以及侧壁部622均为非平坦表面为例，与图2、图4的底座28、48相似，底座68的内表面以及侧壁部622的内表面上分别形成有至少一凸块682a、682b，且凸块682b于侧壁部622的截面系构成一锯齿环状图案(如图6B所示)、一连续半圆状图案或其他具有等效结构所构成的图案，图6B为图6A的柱状型热管的内壁上视图。在此，需特别注意的是，凸块682a、682b形成于底座68的内表面、侧壁部622的内表面的型态与个数并不限制，可仅由单一凸块构成，或为多个凸块，且凸块682a于68的内表面上系构成一棋盘式图案、一行列图案、一对称式图案或一非对称式图案。
与图2的第一毛细结构26a以及第二毛细结构26b的设置方式类似，于此，第一毛细结构66a设置于热管本体62的侧壁部622的内表面与顶部624的内表面上，而第二毛细结构66b则设置于底座68的内表面上，且第二毛细结构66b与第一毛细结构66a相连。第二毛细结构66b系沿着底座68的内表面的轮廓而设置，且第二毛细结构66b系具有相等厚度或不等厚度。或者，第二毛细结构66b系铺设于底座68的内表面，俾使第二毛细结构66b面向顶部624系形成一平面。第二毛细结构66b于垂直于底座68方向上具有一第一厚度(未绘示)与一第二厚度(未绘示)，且第一厚度系大于第二厚度。第一厚度为位于底座68的内表面不具有凸块682a处上方的第二毛细结构66b的厚度，而第二厚度则为位于底座68的内表面且具有凸块682a处上方的第二毛细结构66b的厚度。至于侧壁部622上的第一毛细结构66a，可与第二毛细结构66b具有相同的技术特征，于此不再赘述。
请同时参照图7A与图7B，其为将本发明较佳实施例的柱状型热管应用于散热模块的二示意图。散热模块50A、50B系可应用于一热源(未绘示)上，且热管20系与热源直接接触或是通过一位于热管下方并位于热源上方之外部基座(未绘示)而与热源接触。热源系一发热的电子元件，例如为中央处理器、晶体管、伺服器、高阶绘图卡、硬碟、电源供应器、行车控制系统、多媒体电子机构、无线通信基地台，或高阶游戏机等。另外，散热模块50A、50B更可与一风扇组接，用以促进由散热模块50A、50B所导出的热更加迅速逸散。
于图7A中，散热模块50A包括一热管20以及至少一散热鳍片52a。热管20系可与图2的热管20具有相同的技术特征，于此不再赘述。散热鳍片52a系以铝挤成型、冲压或其他加工方式制作，且散热鳍片52a设置于热管20外并与热管20相连。散热鳍片52a与热管20的连接方式系选自焊接、嵌合、卡固、黏着所组成的族群其中之一。例如，散热鳍片与热管系以热镶方式进行嵌合以及/或卡固。另外，散热鳍片52a与热管20之间更涂布有一锡膏(solderingpaste)、一导热膏(grease)，或一可充当导热介面的材料。
多个散热鳍片52a系呈放射状分布于热管20外并与热管20相连，且热管20系被套设于多个散热鳍片52a之间。或者，如图7B所示，多个散热鳍片52b系以水平间隔分布的方式套设于热管20外，且多个散热鳍片52b之间彼此平行。然散热鳍片52a或52b的分布方式仅为举例，本发明并不限制于此，散热鳍片52a、52b的排列方式亦可以是垂直间隔分布、斜向间隔分布或其他分布方式。
承上所述，本发明的散热模块及其热管，除了具有成本低廉、制程简单的优点之外，本发明的热管本体的侧壁部与顶部系一体成型或采紧配嵌合的结构，而后将毛细结构同时设置于侧壁部与顶部的内表面上，因此，由于侧壁部与顶部的毛细结构连续，使得凝结于顶部毛细结构的工作流体可顺利流至侧壁部的毛细结构，不会有阻碍，可解决习知柱状型热管侧壁部与上盖处的毛细结构连结性的问题，并能有效地增加柱状型热管的热交换面积进而提升整体散热效能。
再者，由于热管本体与底座系二独立的元件，底座的内表面可轻易加工成不平坦的表面，使得底座与毛细结构之间的接触面积增加，有助于提升热管的散热性能。另外，设置于底座内表面上的毛细结构系与热管本体上的毛细结构分开设置，因此可轻易在凹凸不平的底座上设置单一或不同厚度的毛细结构，藉以增加毛细结构的表面积以提升工作流体的蒸发效率，进而提升热管于蒸发端处的散热性能。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的申请专利范围中。
Claims (19)
1、一种热管，包括：
一热管本体，具有一顶部以及一环设于该顶部的侧壁部；
一底座，系与该热管本体结合后形成一封闭空间，且该底座系与该顶部相对设置，其中该底座具有一非平坦的底座内表面，且该底座内表面系朝向该顶部；
一第一毛细结构，设置于该热管本体的该侧壁部内表面与该顶部内表面上；
一第二毛细结构，设置于该底座内表面上，且该第二毛细结构与该第一毛细结构相连；以及
一工作流体，充填于该热管内。
2、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该侧壁部与该顶部系一体成型以形成该热管本体。
3、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该侧壁部与该顶部系二分离的元件，经连接后而形成该热管本体。
4、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该底座内表面系形成有至少一凸块。
5、根据权利要求4所述的热管，其特征在于，每个凸块于该底座内表面上的截面形状为弧形、三角形、矩形或梯形。
6、根据权利要求4所述的热管，其特征在于，每个凸块于该底座内表面上的截面形状为半球形。
7、根据权利要求4所述的热管，其特征在于，所述凸块于该底座内表面上系构成一棋盘式图案、一行列图案、一对称式图案或一非对称式图案。
8、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该第二毛细结构系铺设于该底座内表面，俾使该第二毛细结构面向该顶部系形成一平面，且该第二毛细结构于垂直于该底座方向上具有一第一厚度与一第二厚度，且该第一厚度系大于该第二厚度。
9、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该第二毛细结构系沿着该底座内表面的轮廓而设置，该第二毛细结构系具有相等厚度或不等厚度。
10、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该热管本体的顶部的内表面为平坦状，或是有凹凸不平的形状并于该顶部内表面系形成有至少一凸块。
11、根据权利要求10所述的热管，其特征在于，所述凸块于该顶部内表面上系构成一棋盘式图案、一行列图案、一对称式图案或一非对称式图案。
12、根据权利要求10所述的热管，其特征在于，该第一毛细结构系铺设于该顶部内表面，俾使该第一毛细结构面向该底座系形成一平面，且该第一毛细结构于垂直于该顶部方向，系具有一第三厚度与一第四厚度，且该第三厚度系大于该第四厚度。
13、根据权利要求10所述的热管，其特征在于，该第一毛细结构系沿着该顶部内表面的轮廓而设置，该第一毛细结构系具有相等厚度或不等厚度。
14、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该热管本体的侧壁部内表面为非平坦状，并于该顶部内表面系形成有至少一凸块。
15、根据权利要求14所述的热管，其特征在于，所述凸块于该侧壁部的截面系构成一锯齿环状图案或一连续半圆状图案。
16、根据权利要求14所述的热管，其特征在于，该第一毛细结构系铺设于该侧壁部内表面，俾使该第一毛细结构面向该封闭空间系形成一平面。
17、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，该底座为圆形、方形或其他几何形状。
18、一种散热模块，包括：
一热管，包括：
一热管本体，具有一顶部以及一环设于该顶部的侧壁部；
一底座，系与该热管本体结合后形成一封闭空间，且该底座系与该顶部相对设置，其中该底座具有一非平坦的底座内表面，且该底座内表面系朝向该顶部；
一第一毛细结构，设置于该热管本体的该侧壁部内表面与该顶部内表面上；
一第二毛细结构，设置于该底座内表面上，且该第二毛细结构与该第一毛细结构相连；以及
一工作流体，充填于该热管内；以及
至少一散热鳍片，设置于该热管外并与该热管相连接。
19、根据权利要求18所述的散热模块，其特征在于，该热管本体具有一顶部以及一环设于该顶部的侧壁部，该底座系与该顶部相对设置，且该底座内表面系朝向该顶部，该第一毛细结构系设置于该热管本体的该侧壁部内表面与该顶部内表面上。
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